从未存在的“7nm”光刻机

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【TechWeb】2020年8月28日,随着近年来芯片行业的发展,大众对于光刻机的关注度越来越高。媒体和厂商也更加频繁地使用“7nm光刻机”这样的关键词来进行宣传。但事实是:从来就没有什么救世主,也没有7nm光刻机。

7nm只是一种工艺的代号,它和光刻机本身是不挂钩的。按照一般人的理解7nm光刻机就是指能制作7nm工艺的光刻机,这个命名方式乍看起来很合理,实际上漏洞百出。

截取自中芯国际招股书

举个例子,在中芯国际财报中,公司透露了会将部分生产28纳米芯片的设备转用于生产其它制程产品。假设中芯国际用于生产28纳米芯片的光刻机将来用于生产45纳米芯片,那么这台光刻机原来应该叫“28nm”光刻机,就因为它生产了45nm芯片,那么他就应该变成更为落后的“45nm”光刻机了?那如果将来它再回来生产28纳米芯片,那么它就又升级成了“28nm”光刻机?但整个过程中光刻机的本质并没有改变啊。

武汉弘芯不是什么救世主

近期网络上所谓关于武汉弘芯的“7nm”光刻机抵押在银行的消息,闹得沸沸扬扬。但这真的是“7nm”光刻机吗?

武汉弘芯半导体制造有限公司(HSMC)于2017年11月成立,总部位于中国武汉临空港经济技术开发区。公司汇聚了来自全球半导体晶圆研发与制造领域的专家团队,拥有丰富的14纳米及7纳米以下节点FinFET先进逻辑工艺与晶圆级先进封装技术经验。

值得说明的是,14纳米及7纳米的相关工艺经验来武汉弘芯中来自台积电等公司的“前员工”,并不是指公司已经具备了相关的生产技术。

截取自武汉弘芯官网

在官网的项目时程中,武汉弘芯14纳米工艺大概会在2020年下半年开始测试流片,其7纳米工艺在2020年开始研发。而中芯国际在2019年时,其14纳米工艺已经实现量产。

另外关于武汉弘芯所谓的“7nm”光刻机,根据相关消息此光刻机已被抵押。

数据来自天眼查

根据天眼查上的数据,我们可知武汉弘芯所谓的“7nm”光刻机实际型号为TWINSCAN NXT:1980Di。2019年12月22日,武汉弘芯半导体举行了首台高端光刻机设备进厂仪式,就是为了迎接这款光刻机。

数据来自ASML

从ASML官网的数据中我们可以看到,这款2015年推出的光刻机光源波长为193nm,属于DUV光刻机。且从官网的型号表上可以看到,这款光刻机并非“最优秀”的DUV光刻机。

ASML官网上的一款EUV光刻机

要是想制造工艺尺寸更小的芯片,换光源是比较直接且立竿见影的办法。因此国外为了阻碍我国尖端芯片制造产业的发展,极力限制我国进口波长大致为13.5nm的EUV光刻机,但对于技术相对落后的DUV光刻机限制并不大。2020年3月4日,中芯国际从荷兰ASML进口的一台大型光刻机已顺利进入深圳厂区,据悉此台光刻机即为DUV光刻机。

关于武汉弘芯所谓的“7nm”光刻机的命名问题,这款光刻机是否真的能做到7nm工艺呢?目前已有一家中国企业可以用同样水平的DUV光刻机制造7nm工艺的芯片,这家中国企业名为:台湾积体电路制造股份有限公司。其中台积电第一代7nm工艺N7和第二代7nm工艺N7P均采用了DUV光刻机制造,但是为了更好的性能,其第三代7nm工艺N7+则采用了更为先进的EUV光刻机制造。

在这其中其实还有一些偷换概念的问题,举个例子:文森特·梵高是一名著名的画家,他的画作价格不菲,甚至有些画作价值过亿。不过梵高早年穷困潦倒,使用的画笔也很普通,但这并不影响梵高用普通的画笔创作出诸多优秀的画作。那么这时如果有一个人买到了梵高同款的普通画笔,他就能成为梵高吗?他就能创作出价值过亿的画作吗?

光刻机只是半导体制造工艺的开始,武汉弘芯已经有了台积电同款“画笔”,那么武汉弘芯能否做出同款的“N7”和“N7P”呢?

偷换概念的“7nm”光刻机:业界原本的分类

业界对于光刻机主要是根据其使用光源进行命名和分类。比如现在处于尖端地位的EUV(extreme ultra violet)光刻机,这类光刻机使用了极紫外光作为光源。目前业界的EUV光刻机大多使用的是波长为13.5nm左右的极紫外光。

另一种业界比较主流的光刻机就是DUV(deep ultra violet)光刻机了,这类光刻机使用的是深紫外光作为光源。目前业界的DUV光刻机大多使用的是波长为193nm的氟化氩准分子激光(ArF excimer laser)或者波长为248nm的氟化氪准分子激光(KrF excimer laser)作为光源。

光刻机只是个开始

相信大家都注意到了,市面上主流的DUV光刻机光源的波长只有193nm,而现在主流的芯片制造工艺都已经到了14nm。如果要用193nm的光源刻出更细的线条,这还需要更多的技术支持。

我们可以通过这个公式来大致看一下193nm的光源能刻出的工艺分辨率,其中:

R,分辨率,比如90nm、65nm、45nm之类。

λ,激光的波长,现在业界已经从248nm过渡到了现在最常用的193nm,还有更为先进的13.5nm。

n,为介质折射率,空气约1,水约1.44。

NA,为数值孔径,和镜子大小,以及距离有关。

k1,系统常数,代指掩膜等相关技术。

所以通过这个公式我们可以大致计算出,在一般情况下193nm波长的光源分辨率也就能做到60nm左右(相关系数取一般值,此结果仅供参考)。那么接下来的问题就是如何突破这个所谓的“一般情况”了。

对此业界大体有两种解决办法,浸润式光刻和多重曝光。

浸入式光刻技术是在2000年初首先由麻省理工学院林肯实验室亚微米技术小组提出,他们认为在传统光刻机的光学镜头与晶圆之间的介质可用水替代空气,以缩短曝光光源波长和增大镜头的数值孔径,从而提高分辨率。水与空气的折射率之比为1.44:1如果用水替代空气,相当于193nm波长缩短到134nm,如果采用比水介质反射率更高的其液体,可获得比134nm更短的波长。

简单来说就是运用了惠更斯原理,让光从一种介质折射进入另一种介质,那么在分界点相当于一个波源,向外发散子波。也就是说在这个过程中光的波长发生了改变,通过这种方式我们获得了一个波长更小的光源。

一种多重曝光的流程示意图

另外一种技术就是多重曝光了,在图中最上面是已经经过一次Patterning的保护层(绿色,如SiN)再加上一层光刻胶(蓝色)。光刻胶在新的Mask下被刻出另一组凹槽(中间)。最后光刻胶层被去掉,留下可以进一步蚀刻的结构。

简单来说就是将本应一次曝光的图形分成两次甚至更多次曝光来制作。比如要刻几条等间距的线,单次曝光可能只能刻出间距100nm的线,那么这时候稍微再移动大概50nm再刻一次,这时候线与线的间距就变成50nm了。

当然除了浸润式光刻和多重曝光,还有很多技术可以帮助进一步减小半导体制造工艺中的关键尺寸。但是比起用各种技术优化,直接更换光源会有较大的提升,即从波长为193nm的DUV光刻机换成波长大致为13.5nm的EUV光刻机。

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